Pengaruh polusi dan zat beracun bagi tubuh manusia

Sub topik: Detoksikasi dan hubungannya

dengan metabolisme xenobiotik

Agnes Kwenang

Tujuan pembelajaran

TIU

Agar mahasiswa memahami reaksi-reaksi kimia untuk merubah zat-zat berbahaya menjadi zat-zat yang tidak berbahaya dan mudah diekskresi.

TIK1. Mengetahui zat-zat yang mengalami detoksikasi

dalam tubuh.

1.1. Mengetahui hasil metabolisme yang tidak diperlukan tubuh,mis; berasal dari hasil pembusukan dalam usus.

1.2. Mengetahui zat-zat asing untuk tubuh yang berasal dari bahan aditif makanan, polutan dan obat-obatan.

2. Memahami reaksi-reaksi detoksikasi dan hubungannya dengan metabolisme xenobiotik untuk kepentingan biomedis.

2.1. Mengetahui detoksikasi beberapa zat-zat berbahaya melalui cara oksidasi, reduksi,metilasi,hidrolisa dan konyugasi.

2.2. Mengetahui detoksikasi dan hubungannya dengan metabolisme xenobiotik untuk kepentingan

biomedis, termasuk faktor-faktor yang mempengaruhi aktivitas enzim dan

efek biologik xenobiotik.

1. Zat-zat yang mengalami detoksikasi dalam tubuh

Zat-zat endogen yaitu hasil metabolisme yang tidak diperlukan tubuh, mis. hasil pembusukan dalam usus besar seperti:

indol,skatol dan fenol produksi kerja bakteri pada asam amino dalam usus besar

NH3 hasil deaminasi asam amino, yang juga merupakan hasil bakteri usus.

Zat-zat exogen/asing untuk tubuh (Xenobiotik)

Asalnya dari zat aditif makanan,polutan(bifenil poliklorinasi=PCB.) obat-obatan(morfin, fenobarbital dll.), karsinogen, produk petroleum, insektisida.

2.Reaksi-reaksi detoksikasi dan hubungannya dengan metabolisme xenobiotik untuk kepentingan biomedis.

2.1.Lokasi dan enzim yang berperan.• Detoksikasi terutama terjadi di dalam hati:

secara oksidasi, reduksi, metilasi, hidrolisis, konyugasi. Detoksikasi dilakukan oleh oxygen- transferring enzymes (oxygenases), termasuk sit P-450.

• Enzim-enzim ini mampu mengoksidasi ribuan komponen organik bentuk hidrofobik ke bentuk hidrofilik sehingga mudah diekskresi.

2.2. Metabolisme xenobiotik

2.2.1. Kepentingan biomedis• Merupakan dasar pemahaman pengetahuan

farmakologi, farmasi,toksikologi,penelitian kanker dan adiksi obat

• Kelompok utama yang mempunyai relevansi medis adalah obat-obatan, zat karsinogen kimia, polutan (bifenil poliklorinasi=PCB) dan insektisida tertentu

• 200.000 jenis zat kimia lingkungan produksi pabrik di metabolisme terutama di dalam hati.

• Kadang-kadang di ekskresi tanpa perubahan.• Ada 30 jenis enzim yang berbeda mengkatalisis reaksi-

reaksi dalam metabolisme

2.2.2. Fase-fase metabolisme xenobiotik

Fase 1.• Reaksi hidroksilasi dikatalisis oleh enzim

monooksigenase atau sitokrom P450, mengakhiri kerja obat, tetapi tidak selalu terjadi.

• Sit P450 juga mengkatalisis reaksi: deaminasi, dahalogenasi, desulfurasi, epoksidasi, peroksigenasi dan reduksi.

• Reaksi hidrolisis dikatalisis oleh esterase.

Reaction Examples

Aliphatic hydroxylation Valproic acid, pentobarbital

Aromatic hydroxylation Debrisoquine, acetanilide

Epoxidation Benzene, benzo[α]pyrene

Dealkylation Aminopyrine, phenacetin, 6-methyl-thiopurine

Oxidative deamination Amphetamine

Nitrogen or sulfur oxidation 2-Acetylaminofluorence, chlorpromazine

Dehalogenation Halothane

Alcohol oxidation Ethanol

Table 1. Xenobiotics Metabolized by Cyt. P450

Tabel 2. Xenobiotic Metabolizing Enzymes

Type of

reaction

Enzyme Representative substrate

Oxidation Cytochrome P450

Alcohol dehydrogenase

Flavin containing

Monooxygenase

Toluene

Ethyl alcohol

Dimethylaniline

Reduction Ketone reductase Metyrapone

Hydration Epoxide hydrolase Benzo[α]pyrene

-7,8-epoxide

Hydrolisis Esterase Procaine

Conjugation UDP glucuronyl

transferase

Sulfotransferase

N-acetyltransferase

Methyltranseferase

Glutathione

transferase

Acetaminophen

β-Napthol

Sulfanilamide

Thioracil

Acetaminophen

Fase 2.• Senyawa terhidroksilasi & senyawa lain yang di

produksi dalam fase 1 diubah menjadi metabolit polar lewat:- konyugasi dengan asam glukuronat, sulfat, asetat,

glutation atau asam amino tertent

- metilasi

• Tujuan kedua fase: untuk meningkatkan kelarutannya didalam air (polaritas) sehingga memudahkan ekskresinya.

• Sifat sangat hidrofobiknya harus dirubah menjadi lebih polar agar tidak tertahan lama di jaringan adiposa.

Pada fase 1

• Reaksi tambahan: mengubah senyawa aktif menjadi inaktif atau kurang aktif

• Kasus tertentu senyawa inaktif menjadi senyawa biologis aktif, disebut prodrug atau prokarsinogen.Mis. Benzol(a)pyrene dari daging panggang berubah menjadi berpotensi karsinogen oleh enzim-enzim detoksikasi SER.

• Pada fase 2. konyugasi mengubah produk aktif hasil fase 1 menjadi inaktif yang selanjutnya diekskresi melalui urin atau getah empedu.

• Kasus tertentu meningkatkan aktivitas biologik xenobiotik.

• Istilah detoksikasi tidak tepat, sebab adanya reaksi metabolisme yang meningkatkan aktivitas biologik dan toksisitasnya.

• Reaksi kimia fase 1. • RH + O2 + NADPH + H+ ROH + H2O + NADP

• RH + O2 ROH + H2O• RH mewakili xenobiotik dengan keragaman luas.• Satu oksigen memasuki ROH dan satu atom lagi

memasuki molekul air.

Cyt P-450 red Cyt P-450 oks

Reaksi kimia fase 2.Reaksi konyugasi ada lima tipe.A. Glukuronidasi (paling sering terjadi).Donor glukuronil : UDP-asam glukuronatKatalisator: glukuronil

transferase(ret.endoplasma,sitosol)Molekul: 2-asetilaminofluoren(karsinogen),anilin,

asambensoat,meprobamat(tranqulizer), fenol dan banyak molekul steroid diekskresikan sebagai glukuronida, yang dapat terikat dengan oksigen, nitrogen atau gugus sulfur pada substratnya.

B. Sulfasi

Molekul: sebagian alkohol,arilamin dan fenol.

Donor: sulfat

Molekul biologis lain: senyawa steroid, glikosaminoglikan, glikolipid, glikoprotein: adenosin3’-fosfat-5’-fosfosulfat(PAPS) disebut sulfat aktif.

C. Konyugasi dengan Glutation.

Glutation = -glutamil-sisteinilglisin(tripeptida) (GSH) karena gugus sulfhidril pada sistein, merupakan gugus fungsional.

Xenobiotik elektrofilik potensial beracun(karsinogen tertentu)(R) akan terkonyugasi ke GSH nukleofilik

Reaksi: R + GSH R-S-H

Enzim:glutation S-transferase(tinggi dalam hati)

Bila R tidak terkonyugasi, bebas terikat kovalen dengan DNA,RNA atau protein selrusak.

GSH: mekanisme pertahanan penting terhadap toksik obat dan karsinogen.

Konyugat glutation dimetabolisme lanjut.

Gugus glutamil, glisinil milik glutation akan dikeluarkan oleh enzim spesifik dan gugus asetil(asal asetil-KoA) ditambahkan kepada gugus aminosisteinil lainnya dan dihasilkan asam merkapturat, yaitu konyugat L-asetil-

sistein, yang kemudian diekskresikan ke dalam urine.

D. AsetilasiReaksi: X + Asetil-KoA Asetil-X + KoADonor asetil: Asetil-KoAEnzim: asetil transferase(sitosol)Substrat asetilasi: Isoniazid (R/ tbc)Tipe polimorfik enzim: ada orang disebut asetilator lambat dan cepat.Asetilator lambat:orang lebih sering alami efek toksik tertentu dari isoniazid,karena obat tersebut bertahan lama pada orang tersebut.

E. Metilasi

Sejumlah kecil xenobiotik akan mengalami metilasi oleh enzim metiltransferase, degan memakai S-adenosilmetionin sebagai donor metil.

2.2.3.Faktor-faktor yang mempengaruhi aktivitas enzim yang memetabolisme xenobiotik:

Genetik: ada perbedaan aktivitas enzim antar individu.Usia dan jenis kelamin.Asupan xenobiotik (fenobarbital, PCB, seny.hidrokarbon tertentu) dapat menginduksi enzim.Penting diketahui apakah seseorang sudahpernahterpajan zat penginduksi ini.Metabolit xenobiotik tertentu dapat menghambat atau mengstimulasi aktivitas enzim, hal ini dapat mempengaruhi takaran sejumlah obat tertentu yang diberikan pada pasienBerbagai penyakit (sirosis hepatis) dapat mempengaruhi aktivitas enzim sehingga perlu penyesuaian dosis pelbagai obat yang diberikan kepada orang tersebut.

2.2.4. Efek biologik xenobiotik mencakup efek farmakologik, toksisitas, reaksi imunologis dan kanker.

Respon farmakologik, khususnya farmakogenetika: beberapa reaksi penting pada obat yang mencerminkan perbedaan yang ditentukan secara genetik pada struktur enzim atau protein antar

individu

Table 3. Beberapa reaksi obat yang penting akibat bentuk mutan atau polimorfik enzim atau protein

Enzim atau Protein yang terkena

Reaksi atau Akibat

Glukosa-6-fosfat dehidrogenase (G6PD) (mutasi) (MIM 305900)

Anemia hemolitik akibat konsumsi obat seperti primaquin

Saluran pelepasan Ca2+

(reseptor rianodin) dalam retikulum sarkoplasma (MIM 180901)

Hipertemia maligna (MIM 145600) sesudah pemberian obat anestesi tertentu (misal, halotan)

CYP2D6 (Polimorfisme) (MIM 124300)

Metabolisme lambat obat-obat tertentu (misal, debrisouquin), yang menyebabkan akumulasi obat tersebut.

CYP2A6 (Polimorfisme) (MIM 122720)

Gangguan metabolisme nikotin yeng memberikan perlindungan agar orang tidak menjadi perokok yang tergantung pada tembakau

Efek toksik xenobiotik, tiga tipe:

1. Cedera sel (sitotoksisitas)--- kematian sel• Xenobiotik reaktif melalui pengikatan kovalen

dengan makromolekul sel (target DNA,RNA dan protein)

• Terlibat dalam fungsi selular sel (protein atau enzim fosforilasi oksidatif, pengaturan permeabilitas membran) menyangkut kelangsungan hidup jangka pendek sel,akan terlihat nyata parahnya fungsi sel.

2. Xenobiotik reaktif terikat dengan protein, memodifikasi dan mengubah sifat antigenesitas spesies tersebut.

Xenobiotik ini bekerja sebagai hapten, yaitu molekul kecil yang tidak dengan sendirinya merangsang sintesis antibodi tetapi akan bergabung dengan antibodi begitu unsur ini terbentuk. Antibodi ini merusak sel melalui mekanisme imunologi, yang mengganggu proses biokimia seluler.

3. Reaksi antara spesies karsinogen kimiawi yang aktif dengan DNA bermakna penting dalam peristiwa karsinogenesis kimiawi.

• Zat kimia lain (zat alkilasi) dapat bereaksi langsung dengan DNA (karsinogen direk), tanpa mengalami aktivasi kimiawi intra sel

• Produk enzim monooksigenase tertentu pada sebagian substrat prokarsinogen adalah epoksida sangat reaktif dan mutagenik oleh enzim epoksida hidroksilase (ret.endoplasma) akan mengubah menjadi dihidroliol yang jauh kurang reaktif.

Zenobiotik Metabolik reaktifSit P450

Metabolit nontoksik

GSH S-transfrase/epoksida hidrolase

Pengikatan kovalenpada makromolekul

Cedera sel Hapten Mutasi

Produksi antibodi

Cedera sel

Kanker

Gambar 1. Efek Metabolisme xenobiotik

Kesimpulan.

Telah dibahas:

1. Zat-zat yang mengalami detoksikasi didalam tubuh, yaitu zat-zat endogen dan zat-zat exogen.

2. Reaksi-reaksi kimia detoksikasi dan hubungannya dengan metabolisme xenobiotik untuk kepentingan biomedis, termasuk faktor-faktor yang mempengaruhi aktivitas enzim dan efek biologik xenobiotik.

• Kepustakaan

• Devlin TM, Text Book of Biochemistry (1993), John Wiley & Sons (USA), pp.996. Cytochromes P450 Oxidize Exogenous Lipophilic Substrates.

• Karp G, Cell and Molecular Biology. Concepts and experiments (2008), John Wiley & Sons (Asia), pp.284. Smooth Reticulum Endothelial.

• Murray RK, Granner DK, Mayes PA, Rodwel VW, Harper’s Biochemistry (1996), 24 th ed, Prentice Hall International(USA), pp.750-755. Metabolism of Xenobiotics.

• Price SA, Wilson LM, Pathophysiology. Clinical Concepts of Diseases Processes (1992). Terjemahan Edisi 4, Buku 1 Patofisiologi.Konsep Klinis Proses-Proses Penyakit(1995),(Jakarta), hal.429-430. Fungsi Hati.